西安​交通​大学​基于​NI ELVIS​平台​的​自​控​原理​实验​教学​改革

Mingxiao Lu, Xi’an Jiaotong University

"《自动​控制​原理》​是​自动​化​专业​最​重要​的​专业​基础​课,​同时​也是​许多​其他​工程​专业​的​重要​专业​课。​这​门​课程​对应​的​实验​环节​也​十分​重要,​不仅​应​帮助​学生​理解​课程​中​所​涉及​的​基本​原理​和​概念,​同时​应该​可以​使​学生​获得​这些​原理​在​实际​工程​中​应用​的​直观​感受。" ​

- Mingxiao Lu, Xi’an Jiaotong University

挑战:

全面​改革​自动​控制​原理​的​实验​教学​方式。​对于​自动​化​专业​的​学生,​如何​在​实验​环节​中​充分​调动​学生​的​主动​性​和​学习​兴趣,​在​更多​的​设计​型​实验​中​强化​专业​知识​的​吸收,​同时​获得​基本​工程​实践​能力​的​训练;​而​对于​非​自动​化​专业​的​学生,​如何​通过​验证​型​实验​使​其​真正​理解​并​掌握​自​控​原理​课程​中​所​涉及​的​核心​基本​概念,​同时​在​实验​中​体现出​这些​原理​和​概念​在​实际​工程​中的​应用。 ​

解决​方案:

《自动​控制​原理》​是​自动​化​专业​最​重要​的​专业​基础​课,​同时​也是​许多​其他​工程​专业​的​重要​专业​课。​这​门​课程​对应​的​实验​环节​也​十分​重要,​不仅​应​帮助​学生​理解​课程​中​所​涉及​的​基本​原理​和​概念,​同时​应该​可以​使​学生​获得​这些​原理​在​实际​工程​中​应用​的​直观​感受。 ​

作者:

Mingxiao Lu - Xi’an Jiaotong University
​Zhou Jing - Xi’an Jiaotong University
​Zheng Xu - National Instruments

 

西安​交通​大学​自动​控制​原理​教学​实验​室​隶属​于​电子​与​信息​工程​学院​的​自动​化​系,​不仅​负责​自动​化​专业​本科​学生​的​自动​控制​原理​教学​实验,​同时​也​为​其他​专业​学生​开设​自动​控制​原理​实验。​传统​的​自动​控制​原理​实验​主要​基于​一些​实验​箱​完成​验证​型​实验,​学生​依照​配套​实验​指导​书​的​步骤​完成​一些​插​线​的​工作​就​可以​看到​实验​结果,​例如​一阶​或​二阶​系统​的​时​域​特性​或​频​域​特性。​在​这种​方式​下,​学生​只要​按照​实验​指导​书​按部就班​操作​就​可以​完成​实验,​即使​没有​充分​预习​也可以​获得​实验​结果,​在​实验​过程​中也​几乎​没有​可供​学生​发挥​和​扩展​的​空间,​不利​于​调动​学生​主动​进行​学习​和​思考,​也​很​难​真正​培养​学生​的​动手​能力​和​工程​实践​能力,​而​这些​能力​对于​工程​专业​的​学生​来说​又是​极为​重要​的。​因此,​西安​交通​大学​自动​化​专业​的​自动​控制​原理​实验​改革​主要​需要​改变​以​验证​型​实验​为​主​的​传统​实验​方式,​引​人​更多​的​设计​型​实验,​充分​调动​学生​主动​思考,​并且​在​覆盖​面​最​广​的​课程​实验​环节​中​就​开始​逐步​训练​培养​学生​解决​实际​工程​问题​的​能力。​此外,​对于​非​自动​化​专业​的​学生,​也​希望​通过​改变​验证​型​实验​的​内容,​更多​调动​学生​的​学习​兴趣​和​积极​性,​并且​结合​工程​应用​背景,​更加​直观​的​体现出​课程​中​所​讲授​的​核心​概念​及其​应用。

 

经过​调​研,​西安​交通​大学​选择​了​NI ELVIS​硬件​平台​和​LabVIEW​软件​环境​开展​自动​控制​原理​课程​实验​的​改革。​这​主要是​因为​NI ELVIS​结合​了​多种​现成​的​仪器​功能,​但​同时​也​支持​利用​LabVIEW​软件​开发​特别​的​实验​功能,​而且​NI ELVIS​和​LabVIEW​软件​为​学生​提供​了​一个​可​扩展​发挥​的​实验​环境,​可以​改变​以往​按部就班、​单纯​验证​的​实验​方式。​此外,​NI ELVIS​上​的​插​板​可以​替换,​因此,​也可以​使用​第三​方​的​插​板​作为​被​控​对象,​甚至​教师​可以​自行​开发​实验​插​板。

 

 

目前​该​实验​室​已经​基于​NI​平台​开发​了​若干​创新​型​实验,​针对​不同​的​选​课​学生​专业​类型​和​实验​学时​数​可以​有​不同​的​组合。​对于​自动​化​专业​六​个​班​的​学生,​学生​需要​完成​系统​时​域​响应​分析、​系统​频​域​响应、​系统​稳定​性​分析、​系统​超前​校正​等​验证​型​实验,​以及​一个​电机​PID​调​速​系统​设计​的​设计​型​实验。​即使​在​验证​型​实验​中,​学生​也​需要​在​NI ELVIS​的​面包​板​上​用​运算​放大器​和​电阻、​电容​等​元​器件​搭建​出​所要​测试​分析​的​一阶​系统​和​二阶​系统,​并​结合​教师​提供​的​LabVIEW​实验​程序​观测​元​器件​的​不同​取​值​对​系统​特性​的​影响,​这样​不仅​可以​加深​对​系统​特性​的​理解​和​印象,​而且​衔接​了​模拟​电子​线路​等​前​序​课程​的​知识。

 

 

在​设计​型​实验​中,​将​三名​学生​一​组​进行​分组,​每​组​学生​自行​完成​一个​直流​电机​PID​调​速​系统​的​设计。​教师​给​学生​提供​直流​电机​作为​被​控​对象,​学生​需要​在​NI ELVIS​平台​上​自行​搭建​光​耦​开关​转​速​测量​的​外围​电路,​并​利用​NI ELVIS​的​可​编​程​电源​根据​转​速​输出​不同​电压​驱动​电机​跟随​上所​设定​的​转​速。​软件​编​程​涉及​光​耦​开关​输出​脉冲​信号​的​采集、​转​速​计算、​调​用​LabVIEW​提供​的​PID​算法​并​设置​合适​的​PID​参数、​控制​可​编​程​电源​的​输出​电压​等。​考虑​到​大三​秋季​学期​的​学生​还​没有​上过​LabVIEW​相关​课程,​因此​教师​给​学生​提供​一些​独立​的​程序​片段​作为​参考,​学生​需要​将​这些​程序​整合​成​一个​完整​的​应用​并​独立​完成​核心​的​控制​部分​的​编​程。​由于​LabVIEW​是​一种​直观​的​图形​化​编​程​语言,​并且​提供​PID​控制​等​现成​函数,​因此​该​设计​型​实验​对​大三​学生​虽然​有​一定​难度,​但​学生​只要​投入​一定​精力​都能​完成。​通过​这样​的​设计​型​实验,​学生​不仅​对​相关​的​控制​理论​有​更加​深刻​的​理解​和​认识,​而且​通过​亲自动手​的​方式​体会到​这些​理论​在​实际​系统​中的​应用,​同时​也在​构​建​一个​完整​系统​的​过程​中​培养​了​学生​的​实践​能力、​创新​能力、​解决​实际​工程​问题​的​能力​以及​团队​合作​精神。​一​组​学生​在​实验​报告​的​总结​部分​写到:“本次​实验​使得​我们​对于​自动​控制​有了​更​深入​的​理解​和​掌握。​尤其是​PID​各​参数​的​调整​对于​各​性能​的​影响,​通过​本次​实验,​就​彻底​记住​了…​LabVIEW​使用​的是​图形​化​语言​编写​程序,​产生​的​程序​是​框​图​的​形式,​这种​编​程​方式​给​设计​者​及​分析​者​带来​了​很大​便利,​使得​程序​设计​方便,​分析​简单。”

 

对于​一些​面向​非​自动​化​专业​学生​开设​的​自动​控制​原理​课程,​由于​实验​学时​数​的​制约,​目前​还是​以​验证​型​实验​为​主,​但是​也​希望​通过​更新​实验​内容,​达到​更好​的​实验​效果。​该​实验​室​以​Quanser​公司​的​QNET​直流​电机​教学​板​作为​被​控​对象,​配合​NI ELVIS​平台​和​LabVIEW​软件,​设计​了​若干​实验。​学生​虽然​不需要​自己​搭建​电路​编写​程序,​但是​按照​顺序​做完​一些​列​实验,​可以​直观​地​体会到​直流​电机​系统​建​模、​根据​系统​模型​计算​PID​参数​并​进行​直流​电机​的​转​速​控制​和​位置​控制​的​完整​过程,​将​课程​理论​和​工程​实践​紧密​结合​起来。

 

 

 

由于​在​2011​年​和​2012​年​秋季​学期​的​自动​控制​原理​教学​实验​改革​中​所​取得​的​良好​效果,​西安​交通​大学​基于​NI​平台​的​自动​控制​原理​教学​实验​已经​定型,​未来​该​实验​室​还​将​进一步​扩大​设备​规模,​从而​可以​一次​容纳​更多​学生​同时​进行​实验;​相关​教师​也在​进一步​扩充​完善​实验​程序​和​教材。

 

​ ​图​1 西安​交通​大学​自动​控制​原理​实验​室​中的​NI ELVIS​平台 ​
​ ​图​2 在​验证​型​实验​中学生​仍然​需要​亲自​设计​并​用​运​放​等​模拟​元件​搭建​一阶​系统​和​二阶​系统​的​实际​电路,​并​通过​NI ELVIS​提供​的​信号​接口​和​LabVIEW​软件​对​系统​的​相关​特性​进行​研究 ​
​ ​图​3 在​验证​型​实验​中,​教师​为​学生​提供​了​用​LabVIEW​编写​好的​实验​程序 ​
​ ​图​4 学生​分组​进行​电机​转​速​控制​的​设计​型​实验 ​
​ ​图​5 学生​在​NI ELVIS​平台​上​实现​的​PID​电机​转​速​控制​系统 ​
​ ​图​6 学生​在​设计​型​实验​中​编写​的​LabVIEW​程序​前​面板​和​程序​框​图 ​
​ ​图​7 结合​Quanser QNET​直流​电机​实验​板​完成​电机​转​速​控制​和​位置​控制​等​实验 ​
​ ​图​8 学生​在​完成​Quanser QNET​直流​电机​建​模​及​转​速​控制​和​位置​控制​实验 ​